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ESPACIOS EUCLÍDEOS
EL PRODUCTO ESCALAR
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ESPACIOS EUCLÍDEOS
EL PRODUCTO ESCALAR
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Presentación 4
El producto escalar 5
El producto escalar habitual 7
Norma o módulo de un vector 8
Distancia entre dos vectores 8
Ángulo entre dos vectores 10
Vectores ortogonales 10
Subespacios ortogonales 12
Desigualdad de Schwartz 14
Desigualdad de Minkowski 16
Resumen 17
Índice
ESPACIOS EUCLÍDEOS
EL PRODUCTO ESCALAR
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Presentación
Hasta ahora, en espacios vectoriales podemos plantear dónde están situados unos vectores
respecto de otros, según sus componentes en una determinada base, ¿Pero cómo saber qué
ángulo forman dos vectores o cuánto mide un determinado vector de largo? Hasta la introducción
del concepto del producto escalar, esta pregunta no tiene respuesta.
El producto escalar es la operación a partir de la cual germina toda la geometría métrica
descriptiva. Aún falta por llegar el importante concepto del "punto geométrico", pero el paso hacia
delante es enorme en cuanto a las posibilidades que se abren. No solo en el ámbito geométrico,
en física, por ejemplo, un vector que representa una fuerza no solo tiene ya dirección y sentido,
sino que ahora podremos hablar de la magnitud de dicha fuerza en esa determinada dirección
gracias al concepto de módulo.
En este tema aprenderemos:
Qué es el producto escalar de dos vectores, y cómo engendra el espacio euclídeo.
Cómo se calcula el módulo de un vector y el ángulo que forman dos.
Profundizaremos en el concepto de ortogonalidad de dos vectores, estudiando los
subespacios ortogonales y las propiedades de estos.
Las desigualdades geométricas de los módulos de Schwartz y Minkowski.
Y mucho más.
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El producto escalar
El producto escalar, o producto interior, es una operación entre dos vectores cuyo resultado es
un escalar (de ahí su nombre).
Se plantea del siguiente modo:
Observemos las propiedades de esta operación:
1. Simetría:
2. Linealidad:
Debido a la simetría, con que cumpla linealidad en uno de los dos argumentos ya se puede
considerar que la cumple en ambos
3. Positividad: .
Así, diremos que cualquier operación que cumpla estas propiedades en un espacio vectorial, es
un producto escalar.
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El producto escalar se representará como . También se puede utilizar la notación < u,v >.
Llamaremos espacio euclídeo a un espacio vectorial dotado de un producto escalar.
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El producto escalar habitual
Es posible que en otras asignaturas o en otros niveles de formación ya te hayas topado con el
producto escalar pues, es habitual que se use en asignaturas de base física o dónde se utilice
mucho la geometría.
El problema surge cuando uno se da cuenta de que la información con la que contaba hasta el
momento acerca de los productos escalares estaba sesgada.
Hasta el momento, el producto escalar de dos vectores de R3, para quien haya trabajado con él,
se realizaba así:
Esto no es incorrecto, pero sí incompleto. ¿Por qué? Porque no es el único producto escalar
existente en R3. De hecho, cualquier operación que nos definan o definamos y que cumpla las
condiciones ya descritas (simetría, linealidad y positividad) es un producto escalar, sin
importar qué aspecto tenga.
Teniendo esto siempre en mente, continuemos con el estudio de la operación.
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Norma o módulo de un vector
La norma o módulo de un vector es .
La noción corresponde, intuitivamente, a la longitud del vector. También se puede denotar .
Con cualquier producto escalar, el único vector de módulo cero es el .
El módulo de un vector es el mismo que el de su opuesto:
El módulo de es (es decir, el módulo queda multiplicado por el valor absoluto
del escalar).
Distancia entre dos vectores
La distancia entre y es la norma del vector diferencia entre ambos.
Puedes observar que si alguno de los dos vectores es nulo no podemos dividir por su módulo y,
por tanto, el ángulo no está definido. En efecto, geométricamente, el vector nulo no forma ángulo
ninguno.
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Ángulo entre dos vectores
El producto escalar de dos vectores también puede expresarse en función de los módulos de los
vectores que lo conforman, así como el coseno del ángulo que forman:
Donde es el ángulo que forman ambos vectores.
Por tanto, para generalizar la noción de ángulo a cualquier espacio euclídeo, definimos:
Vectores ortogonales
Dos vectores son ortogonales si su producto escalar es cero: .
Si miramos la definición de ángulo entre dos vectores,
Es decir que dos vectores ortogonales forman 90º.
Cabe destacar que si dos vectores y son ortogonales, entonces también lo son sus múltiplos
α y β (α, β escalares).
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Subespacios ortogonales
Se llama subespacio ortogonal a otro, dado U, al subespacio , o bien , formado por
todos aquellos vectores del espacio euclídeo que son ortogonales a los de U.
Analíticamente, se enuncia: .
Puede comprobarse que
Veamos un ejemplo:
Si definimos en R3 un producto escalar habitual,
, y tenemos un
subespacio
El subespacio ortogonal al U ( ) se puede calcular teniendo en cuenta que ser ortogonal a
todos los vectores de U equivale a ser ortogonal a los de su base.
En tal caso podemos definir como .
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Con lo que concluimos que .
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Desigualdad de Schwartz
En cualquier espacio euclídeo E, se verifica que:
Para comprobarlo, se parte de:
Como además:
(Nota: esta ecuación no puede tener dos soluciones reales, ya que entonces la forma cuadrática
no sería definida positiva. El discriminante de la ecuación ha de ser nulo o negativo).
La desigualdad resulta trivial si: .
En otro caso es posible tomar: , con lo que entrando en (1).
.
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Es decir: , de donde: .
Tomando finalmente raíces cuadradas con determinación positiva, se obtiene el resultado:
Obsérvese que en el segundo miembro aparece el valor absoluto del número real , mientras
que en el primero, aparecen los módulos de los vectores e .
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Desigualdad de Minkowski
En cualquier espacio euclídeo E, se verifica que:
Para comprobarlo, se parte de:
Lo cual es posible gracias a la desigualdad de Schwarz, antes descrita.
De este modo:
Donde, tomando raíces cuadradas con determinación positiva, se obtiene:
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Resumen
El producto escalar, se plantea:
Simetría.
Linealidad.
Positividad. .
Norma o módulo de un vector:
Ángulo entre dos vectores:
Otra forma de plantear el producto escalar:
Vectores ortogonales: Dos vectores son ortogonales si su producto escalar es cero:
.
Subespacios ortogonales. . Puede comprobarse
que:
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